微槽式光学谐振腔超声传感效应验证*

吴博丰 崔建功 楚晓霞 祝 敏 赵荣宇 张文栋 张国军 王任鑫 杨玉华

(中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051)

0 引言

近年来，超声波由于具有穿透性强、灵敏度高、不易受黑暗、光线、烟雾、电磁场等外界环境因素干扰的特点，在金属探伤[1-2]、海洋环境监测[3]、人工智能[4-6]、生物医学、光声成像[7]等领域发挥着至关重要的作用。超声传感器件的研究也成为一个热点问题。

2007 年，Chao等[8]提出了一种聚合物微环谐振腔，通过弹光效应，改变波导的折射率，可以检测50 MHz 换能器的宽带超声脉冲。2011 年，Ling等[9]通过阻流回流和低偏置连续蚀刻和钝化工艺，获得了侧壁光滑的聚合物微腔。该微腔的品质因子(Q)达到了4×107，环的直径为60 μm。2012 年，Monifi等[10]提出了一种利用低折射率聚合物进行封装的带有侧耦合锥形光纤的二氧化硅微环谐振腔，并对其进行了超声检测，实现了12 MHz 的超声波探测，装置的灵敏度为-209 dB。2014年，Zhang等[11]提出了一种基于印迹聚合物的超声探测器，它在-3 dB 下的声响应带宽可以达到350 MHz，并且该微环具有1.3×105的高Q值，表明了聚合物微型微环谐振腔可以成为一种高性能的超声探测器。2014 年，Li等[12]为了克服医学领域用于光声显微镜的压电超声探测器体积大、不透明的缺点，提出了一种基于聚合物盖玻片式光学透明超声探测器，它能够在140 MHz 带宽范围内进行高灵敏度超声探测。2017 年，Kim等[13]基于光学环形微环谐振腔，通过非接触的方式检测空气中的耦合超声，成功检测了到50 kHz 和800 kHz 的超声信号。2018 年，Zhang等[14]提出了一种新型超声波传感器，与传统的超声波换能器相比具有更高的灵敏度。它由一个微槽波导和一个双硅基绝缘衬底的微环谐振腔组成，Q值达到了1.24×106，灵敏度达到-172.2 dB。该传感器对光声显微技术的研究有重要的参考价值。2021 年，Zhao等[15]提出了一种由悬臂梁结构槽式双微环谐振器组成的新型超声传感器，其灵敏度可以达到-176 dB。该工作为水听器设计提供了一种新的方案。2022 年，Ding等[16]在硅的绝缘体平台上构建了微环谐振腔作为超声传感器，光刻出来的微环谐振腔的Q值为7.4×104，传感器的灵敏度可以达到-194.7 dB。该方案提高了硅基环形腔超声检测的灵敏度和实用性。

本文基于波导腔的倏逝波效应，超声波作用在微槽谐振腔耦合区后引起波长漂移的原理，对微槽式环形谐振腔进行了制备和超声传感效应测试。通过超声换能器发出不同频率的超声波以及改变同一频率下不同的声压值，观察传感器响应特性，进行超声传感效应验证。该研究可以为水声探测等领域提供关键技术支持。

1 微槽式谐振腔超声传感原理

光波导微槽式谐振腔结构主要由一个环形腔和一条直波导组成，如图1 所示。光从直波导左端输入，经过耦合区域时，由于倏逝波效应局部光耦合进入环形腔并在环内继续传输，其余光沿直波导传输。当光在环形腔中传输一周的相移为2π时，环形腔耦合出去的光与直波导透射光发生干涉，对于满足谐振条件式(1)所示的光将被局域在环形腔中，在环形腔内激励出较强的光谐振模式，即谐振腔的光能量局域效应。

图1 微槽式谐振腔结构和耦合模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the microring resonant cavity structure and coupling model

式(1)中，m代表共振级次，λ为输入的光的波长，L是环形谐振腔的周长，n为波导的有效折射率。

假设输入的光场强度为E1，进入环形腔内的光场强度为E2，绕环一周后的光场强度为E3，直波导输出光场强度为E4。根据耦合器的传输矩阵理论[17]，E1、E2、E3和E4之间的关系为

式(2)中，t是透射系数，k是耦合系数，其满足关系式|t2|+|k2|=1[18]。

环形谐振腔的传递函数T(φ)为

式(3)中，a为光在环形谐振腔中传输一周的振幅传输因子；φ是光在谐振腔中传输一周产生的相移：φ=βL，其中β是传播常数。

环形谐振腔的Q为

式(4)中，f为输入的光的频率，fFWHM为谐振曲线的半高全宽(Full width at half maximum,FWHM)。

本文设计的微槽结构位于谐振腔耦合区上方，当超声波作用于谐振腔微槽结构时，声压与倏逝波发生相互作用，引起有效折射率改变，导致传感器共振波长发生漂移，波长漂移量可以表示为[19]

式(5)中，Δneff/neff是声压引起的折射率变化，Δλ/λ是由于声压引起的波长漂移。

2 传感器的制备

光波导微槽式谐振腔的制备工艺如下：(1) 准备15.24 cm 的硅晶圆，在特定的溶液中进行超声波清洗；(2) 通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)技术在硅晶圆表面形成非掺杂的二氧化硅薄膜作为波导的下包层；(3) 通过PECVD 在二氧化硅薄膜上制备较高折射率的掺锗的二氧化硅作为芯层；(4) 在二氧化硅薄膜表面形成掩膜层，通过曝光、显影、烘焙的方式，使掩膜上的图形转移到光刻胶表面；(5)采用电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma,ICP)刻蚀技术刻蚀芯层；(6) 刻蚀完成后，再次通过PECVD技术生长上包层；(7) 将带有微槽图案的套刻板在芯层表面形成掩膜层，利用光刻工艺将图形转移到光刻胶上，通过ICP 刻蚀技术刻蚀二氧化硅，完成微槽结构的构建；(8) 通过玻璃套管对光纤和光波导微槽式谐振腔进行耦合。制备出来的器件实物图如图2(a)所示，环形波导腔的耦合间距为4.2 μm，微槽的大小为40 μm×40 μm。图2(b)为谐振腔芯层截面的扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)图，从图中可以看出，加工得到的波导芯层截面为5.90 μm×5.99 μm。

图2 加工得到的光波导微槽式谐振腔实物图与耦合区截面图Fig.2 Photos of the processed optical waveguide microgroove resonant cavity and cross-sectional view of the coupling zone

为检验器件的Q值，使用扫描电压为1 V、频率为10 Hz 的三角波对激光器进行扫描，得到传感器的谐振谱线，如图3 所示。通过对吸收峰进行洛伦兹曲线拟合，得到时间域上FWHM为0.00817 s，对应的扫描电压差为0.167 V，激光器频率调制系数为84 MHz/V，最终得到谱线的FWHM为14.03 MHz，器件的Q值为1.38×107。

图3 光波导微槽式谐振腔的透射谱测试图Fig.3 Transmission spectrum test diagram of optical waveguide microgroove resonant cavity

3 测试及结果分析

搭建的超声传感测试系统如图4 所示，主要由两部分组成：声源系统以及声信号解调系统。其中，声源系统包括超声换能器(HPCTN-710-20-II)、信号发生器(RIGOL,DG4000)，信号发生器用来驱动超声换能器。信号解调系统包括激光器(NKT，中心波长为1550 nm)、衰减器、光电探测器(THORLABS)、数字滤波(Moku:Pro 数字滤波模块)、示波器(Moku:Pro 示波器)。由NKT激光器发出中心波长为1550 nm 的激光进入到光波导微槽式谐振腔器件，经衰减器后输入到光电探测器中，再由数字滤波模块对信号进行放大滤波。超声换能器的接收信号和光波导微槽式谐振腔的接收信号连接到示波器模块进行显示。采用比较校准法进行测试：超声换能器具有发射声信号和接收声信号的作用，选一支标准超声换能器和光波导微槽式谐振腔器件保持水平，同时对声源3 cm处的超声信号进行接收。

图4 超声传感测试系统示意图Fig.4 Schematic diagram of ultrasound sensing test system

图5 为900 kHz 声信号下传感器的超声响应测试结果图，从图中可以看出，背景噪声为-88 dB，声信号幅值分别为10 Vpp、15 Vpp、20 Vpp时对应的信噪比为20 dB、24 dB、27 dB。实验结果表明：微槽式环形谐振腔可以检测到相应频率的超声信号，并且随着信号幅值越大(即声压越大)，响应越明显。

图5 900 kHz 声信号下传感器的超声响应测试结果图Fig.5 Test result graph of ultrasonic response for the sensor under 900 kHz acoustic signal

对光波导微槽式谐振腔声信号的灵敏度进行测试，同时采集用于接收的超声换能器和光波导微槽式谐振腔的输出信号，如图6所示。

图6 采集到的光波导微槽式谐振腔和超声换能器的输出信号图Fig.6 Output signal diagram of the collected optical waveguide microgroove resonant cavity and ultrasonic transducer

灵敏度计算公式为

式(6)中，U0为光波导微槽式谐振腔输出信号的幅值，UX为超声换能器输出信号的幅值，S0为标准超声换能器的灵敏度，为-200.5 dB。

利用公式(6)可计算得到，在频率为900 kHz时，器件灵敏度为-168 dB，即3.98 mV/Pa (0 dB@1 V/μPa)。

为了检验传感器的超声频率响应平坦度，测试了800 kHz～1 MHz 范围内的超声信号响应。测试过程中，扫描频率间隔为10 kHz，固定信号发生器的幅值为5 Vpp，测试结果如图7 所示。从图中可以看出，光波导微槽式谐振腔的声传感响应平坦，归一化输出波动在3 dB范围内。表1比较了光波导微槽式谐振腔和先前研究的传感器性能。结果表明，该传感器具有高灵敏度、高Q值的优点。

表1 光波导微槽式谐振腔和先前研究的传感器性能比较Table 1 Comparison of performance between optical waveguide microgroove resonant cavity and previously studied sensors

图7 幅值为5 Vpp 时光波导微槽式谐振腔频率响应曲线Fig.7 Frequency response curve of the optical waveguide microgroove resonant cavity at an amplitude of 5 Vpp

4 结论

本文研究了光波导微槽式谐振腔的超声传感效应。实验结果表明，制备的传感器Q值可以达到1.38×107，在900 kHz 声信号作用下信噪比可以达到27 dB，灵敏度达到-168 dB。在800 kHz～1 MHz范围内，声传感响应归一化输出波动在3 dB 范围。本文提出的光波导微槽式谐振腔作为一种高Q值的光学超声传感器，在超声成像、超声探测、水声信号探测等诸多领域具有良好的应用前景。